深入 JVM 内核

1、JVM

  JVM是[Java ](http://lib.csdn.net/base/java "Java 知识库")Virtual Machine([Java](http://lib.csdn.net/base/javase "Java SE知识库")虚拟机)的缩写,JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

  Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后,Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译,到处运行”的原因。

2、JVM 内部结构

3、类装载器子系统

   顾名思义,类加载器(class loader)用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。一般来说,Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下:Java 源程序(.java 文件)在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码(.class 文件)。类加载器负责读取 Java 字节代码,并转换成 java.lang.Class 类的一个实例。

   类装载器子系统除了要定位和导入二进制class文件外,还必须负责验证被导入类的正确性,为类变量分配并初始化内存,以及帮助解析符号引用。这些动作必须严格按以下顺序进行:

  (1)装载——查找并装载类型的二进制数据。

  (2)连接——指向验证、准备、以及解析(可选)。

    ● 验证:确保被导入类型的正确性。(java 可以自定义安全策略等)。
    ● 准备:为类变量分配内存,并将其初始化为默认值。(这里的准备和下面的初始化的顺序问题体现在 java 初始化中值变化的各种陷阱)。
    ● 解析:把类型中的符号引用转换为直接引用。

  (3)初始化——把类变量初始化为正确初始值。(准备的时候设为默认值,此时才会正式给变量赋值)。

类与类加载器
类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在 Java 程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类,都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在 Java 虚拟中的唯一性。说通俗一些,比较两个类是否“相等”,只有在两个类是由同一个类加载器的前提之下才有意义,否则,即使这两个类来源于同一个 class 文件,只要加载它的类加载器不同,那这两个类必定不相等。这里所指的“相等”包括代表类的 Class 对象的 equal 方法、isAssignableFrom()、isInstance()方法及 instance 关键字返回的结果。

3.1、PC 寄存器的作用

  程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
  • 每个线程拥有一个 PC 寄存器。
  • 在线程创建时创建 。
  • 指向下一条指令的地址。
  • 执行本地方法时,PC 的值为 undefined 。

3.2、方法区的作用

  方法区在一个jvm实例的内部,类型信息被存储在一个称为方法区的内存逻辑区中。类型信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。类(静态)变量也存储在方法区中。

– 保存装载的类信息

  • 类型的常量池 。
  • 字段,方法信息 。
  • 方法字节码 。

–通常和永久区(Perm)关联在一起

–通常和永久区(Perm)关联在一起

–JDK6 时,String 等常量信息置于方法 、JDK7 时,已经移动到了堆

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3.3、Java 堆

  堆是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

–和程序开发密切相关。

–应用系统对象都保存在 Java 堆中 (new 对象)。

–所有线程共享 Java 堆 。

–对分代 GC 来说,堆也是分代的 。

–GC 的主要工作区间 。

3.4、Java 栈

  线程私有,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。

3.5、本地方法栈

 本地方法栈(Native MethodStacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native 方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与[数据结构](http://lib.csdn.net/base/datastructure "算法与数据结构知识库")并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。

4、JVM 启动流程

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5、内存模型

6、垃圾回收机制 GC

  java  语言中一个显著的特点就是引入了java回收机制,是c++程序员最头疼的内存管理的问题迎刃而解,它使得java程序员在编写程序的时候不在考虑内存管理。由于有个垃圾回收机制,java中的额对象不在有“作用域”的概念,只有对象的引用才有“作用域”。垃圾回收可以有效的防止内存泄露,有效的使用空闲的内存;

 内存泄露:指该内存空间使用完毕后未回收,在不涉及复杂数据结构的一般情况下,java的内存泄露表现为一个内存对象的生命周期超出了程序需要它的时间长度,我们有是也将其称为“对象游离”;

10.1 算法分析

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6.2、老式算法

  引用计数是垃圾收集器中的早期策略。在这种方法中,堆中每个对象实例都有一个引用计数。当一个对象被创建时,且将该对象实例分配给一个变量,该变量计数设置为1。当任何其它变量被赋值为这个对象的引用时,计数加1(a = b,则b引用的对象实例的计数器+1),但当一个对象实例的某个引用超过了生命周期或者被设置为一个新值时,对象实例的引用计数器减1。任何引用计数器为0的对象实例可以被当作垃圾收集。当一个对象实例被垃圾收集时,它引用的任何对象实例的引用计数器减1。

6.3、标记-清除算法

  是现代垃圾回收算法的思想基础。标记-清除算法将垃圾回收分为两个阶段:标记阶段和清除阶段。一种可行的实现是,在标记阶段,首先通过根节点,标记所有从根节点开始的可达对象。因此,未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象。然后,在清除阶段,清除所有未被标记的对象。 

6.4、标记-压缩算法

  适合用于存活对象较多的场合,如老年代。它在标记-清除[算法](http://lib.csdn.net/base/datastructure "算法与数据结构知识库")的基础上做了一些优化。和标记-清除算法一样,标记-压缩算法也首先需要从根节点开始,对所有可达对象做一次标记。但之后,它并不简单的清理未标记的对象,而是将所有的存活对象压缩到内存的一端。之后,清理边界外所有的空间。

6.5、复制算法

   与标记-清除算法相比,复制算法是一种相对高效的回收方法 、不适用于存活对象较多的场合 如老年代 。

将原有的内存空间分为两块,每次只使用其中一块,在垃圾回收时,将正在使用的内存中的存活对象复制到未使用的内存块中,之后,清除正在使用的内存块中的所有对象,交换两个内存的角色,完成垃圾回收。

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